地铁钢轨减振扣件应用案例研究——以北京地铁8号线平西府车辆段减振方案为例

高一轩，肖中岭，张语通

（京投科技（北京）有限公司，北京 102208）

地铁在运行时产生的振动是普遍存在的问题，很多国家都已出现由于列车振动和噪声而引起居民对其影响生活的投诉并且对沿线建筑物产生破坏[1]。近年来，在土地资源紧缺及高效利用的大背景下，轨道物业开发已是房地产行业的重要发展方向之一，而轨道环境振动治理是关系成败的一项重要内容，也是业主能否安居乐业的重要指标。在城市轨道交通大发展时期，环保及居民的需求对减振行业提出了更高的要求。因此，如何有效地控制和降低轨道交通引起的环境振动，具有重要的科研价值和现实意义。

国内外学者对于地铁的振动问题，在现场测试及数值计算研究方面做了大量工作，取得了一定成果。Melke和Kraemer提出了分析现场测试数据的方法[2]；Thiede和Natke利用有限元和黏滞边界条件研究了地铁隧道壁厚度的变化对地面振动的影响[3]；刘维宁等建立“车辆一轨道基础”和“衬砌结构一地层系统”空间有限元模型，得出离开隧道轴线一定距离存在1个振动放大区，并存在1个地层响应的主要频带等结论[4]；夏禾等通过铁路桥梁和铁路线路附近的2次现场试验，研究列车对周围地面和邻近建筑物的振动影响[5]；潘昌实等利用导出的列车振动荷载，建立二维有限元、有限元与无限元耦合模型等，对其振动响应进行验证研究[6]；闫维明等对某地铁交通1号线沿线典型区段引起的环境振动实况、振动特性及传播规律等进行了分析研究[7]。但以上研究都没有针对地铁车辆段库内线减振措施进行具体研究。

本文通过查阅文献，调查分析目前国内外钢轨减振扣件的研究现状，以北京市地铁8号线平西府车辆段库内线减振方案为例，对该车辆段上盖物业开发项目的情况进行简要介绍，分析该车辆段项目拟解决的振动问题及减振扣件选用时面临的主要问题，对适用于地铁车辆段库内线的JT-KJ-1B型减振扣件做了详细介绍。

1 国内学者减振扣件研究现状

目前，国内学者对地铁正线上应用的钢轨减振扣件研究较多，但对国内关于地铁车辆段库内线的减振措施鲜有研究。

耿传智等人对地铁弹性扣件轨道建立了落轴冲击仿真模型，分析了不同结构在落轴冲击作用下的动力响应，得出结论为轨道结构自振频率随扣件刚度的降低而减小[10]。

朱剑月建立了扣件支承完全失效的轨道模型，利用轨道刚度沿纵向发生突变模拟扣件失效，计算正常状态和若干个连续扣件支承失效后系统响应。结果表明，扣件失效后，轮轨相互作用增强，且影响前后相邻轨道的动力响应，形成长范围轨道不平顺[11]。

王文斌等人对北京市地铁5号线宋家庄至刘家窑区段换扣件前后列车运营引起的地面加速度进行频谱分析。研究团队建立轨道一隧道一土层结构三维有限元模型，研究垂直地铁线路方向不同距离的振动响应规律，发现随着距地铁隧道中心线路距离的增加，振动呈衰减趋势。在距离隧道轴线一定距离处，存在地面振动加速度放大区，且水平和垂向振动加速度放大区的位置有所不同[12]。

高弹性减振扣件类是依靠橡胶的压缩变形来吸收振动的，例如耿传智等研制的板式减振型钢轨扣件[13]、范佩鑫开发的自锁式轨道双层减振降噪扣件和轨道双层非线性减振降噪扣件[14、15]、吴建忠等设计的减振弹性分开式扣件和一种新型减振扣件[16、17]。邓娇等人对一种用于北京市地铁5号线的Ⅲ型轨道减振器进行设计、有限元分析、动静刚度及疲劳试验，得出Ⅲ型轨道减振器减振性能较好的结论[18]。

2 北京地铁8号线平西府车辆段库内线减振方案研究

2.1 平西府车辆段上盖物业开发项目概况

北京市地铁8号线平西府车辆段进行的公园悦府上盖物业开发项目，其轨道线路分布情况和建筑规划分别见图1、图2。其中，车库正上方盖上建筑物的设计图和立体效果图分别见图3、图4。从图中可见，盖上建筑物是直接落在平台上，依靠库内的承力柱进行支撑建设的。

2.2 平西府车辆段项目拟解决的主要问题

根据平西府车辆段上盖物业开发的环评报告，即《北京市昌平区东小口镇住宅混合公建用地（配套公共租赁住房）项目环境影响报告书》指出，平西府盖上建筑物存在噪声超标的可能性，提出的振动治理措施为在库内采用高等级减振扣件。

图1 平西府车辆段的地铁线路分布图

图2 平西府车辆段的物业开发规划图

图3 平西府车辆段库上建筑物设计图

图4 平西府车辆段库上建筑物立体效果图

平西府车辆段原扣件采用的DJK5-1普通扣件见图5。

图5 平西府车辆段库内线现场

北京市劳动保护科学研究所前期对平西府盖上建筑物进行了实测，测试结果表明盖上建筑物存在较为严重的噪声超标现象，即：按照《城市区域环境振动标准》（GB 10070—88），最大超标量为5.4dB。按照《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》（JGJ/T 170—2009），最大超标量为14.1dB。因此，平西府上盖物业开发的项目公司拟执行环评报告相关内容，利用高等级减振扣件对库内线进行更换。

2.3 平西府库内线减振扣件选用中的主要问题

2.3.1 安装要求及其相应问题

平西府车辆段已经投入使用，为减少对正常运营的影响，应避免工程量大、耗时长的轨枕更换，宜直接将现有的DJK5-1扣件拆除后，在现有的轨枕和锚钉上进行减振扣件换装。

目前已有的各种减振扣件都有自身的轨枕尺寸和锚钉安装位置，无法在平西府直接进行安装使用，且都涉及金属件和非金属件的尺寸和参数调整，一旦尺寸和参数调整了，就不能简单直接地当成安全可靠的产品进行使用，就需等同于新型扣件，需严谨、全面而系统地就安全性和隔振性能进行重新的技术鉴定和技术评估。

2.3.2 安全性要求及其带来的相应问题

扣件是保障行车安全性的重要元件，每个扣件的节点处钢轨横向位移约束、垂向位移约束和翻转位移约束都是由扣件提供和保障的。实践经验表明，扣件的任何零部件在实际使用中都有断裂或损坏的可能，为此，绝大部分扣件都具有如下功能：任何一个零件断裂或损坏，钢轨横向位移约束、垂向位移约束和翻转位移约束都不会全部丧失，例如，普通的 DTVI-2 扣件的弹条断裂后，扣件仍具有一定的横向位移约束和垂向位移约束能力。绝大部分扣件拥有的这一属性有利于行车安全性。

因此，对于安全性要求更高的平西府库内减振扣件，在扣件结构形式和产品类型上，应尽量避免采用单一零件断裂或损害就会让扣件节点处钢轨横向位移约束、垂向位移约束和翻转位移约束全部丧失的扣件类型。

2.3.3 隔振性要求及其带来的相应问题

平西府库内轨道振动特点：1）工况特点。平西府库内列车的实际工况为，列车在空车状态下，出库时是缓慢加速状态，入库时是缓慢减速状态，最大车速小于15km/h。这一工况与正线有较大差异，在这一特殊工况下，已有的减振扣件到底具有多大的隔振能力，由于前期缺乏实际案例而难以准确评估。2）振动传播特点。平西府盖上建筑物的振动传播途径为：轮轨振动传递到道床后，直接由立柱向上传递到建筑物。相比于正线周边建筑物的振动传播途径，这一传播途径不仅少了泥土的振动衰减环节，而且建筑与轨道的距离更近。

针对这一独特的传播特性，由于缺乏前期实践经验和测试数据，因而很难简单地用一个总的隔振量去评估哪种扣件能满足要求，而需综合考虑经过列车后各频率成分的大小，以及各频率成分在振动传播中各自的衰减特性后才能估出什么样的扣件能让建筑物达标。

总体而言，对于平西府库内这类缺乏前期实际案例和数据积累的隔振问题，涉及专项研制或者专项评估以及现场试用等问题。这之前，就算对于熟知的已有减振扣件，也很难准确地认为其能够达到多少分贝的隔振量，能让建筑物达到什么样隔振效果。

2.3.4 轨枕间距现状及其带来的相应问题

平西府库内线前半段为检查坑，轨枕间距约为1.4m，后半段是停车线，轨枕间距为0.65m。这表明在列车经过时，检查坑单个扣件承受的载荷远大于停车线上的扣件，粗略计算二者数值超过2倍。这一实际情况带来两个问题：1）针对1.4m 轨枕间距情形，目前尚没有成熟的减振产品可选用，涉及保障安全性下的专项设计问题；2）目前轨枕是固定的，在轨枕间距固定不变情况下，如何对两种扣件的刚度进行衔接的问题显得尤为突出。

两种轨枕间距这一实际现状让平西府库内线减振扣件的更换问题成了难题，需进行专项设计和专项的安全性和隔振性能评估。

2.4 JT-KJ-1B库内减振扣件简介

针对平西府车辆段库内线隔振需求而研发的JT-KJ-1（A、B）型高等级压缩型减振扣件，主要由浮置铁垫板、橡胶隔振垫板、底座铁垫板、自润滑侧板、弹性侧板等构成。该扣件具备如下特征：1）可直接利用现有的轨枕和锚钉孔进行安装；2）各项指标满足轨道安全性要求；3）两种型号分别适用于0.65m和1.4m轨枕间距情形下的隔振需求，并在两种轨枕间距不变情况下，解决了二者之间的衔接问题；4）已在第三方检测机构完成安全性、隔振性和使用寿命等技术鉴定工作，鉴定结果达标。

扣件组装完成后通过浮置铁垫板与底座铁垫板之间的橡胶隔振垫版提供垂向弹性、通过弹性侧板提供横向弹性，从而实现了垂向及横向减振。与普通弹性扣件相比，其库内减振效果可达8～10dB。

JT-KJ-1B库内减振扣件成功应用于平西府车辆段库内线试验段扣件改造工程，获得了显著的社会效益和经济效益，提升了轨道隔振领域的科研实力和技术水平。JT-KJ-1B库内减振扣件见图6；JT-KJ-1B库内减振扣件现场见图7。

图6 JT-KJ-1B库内减振扣件

图7 JT-KJ-1B库内减振扣件现场

3 结语

通过调查目前国内外专家学者对地铁钢轨减振扣件的基本研究情况，以北京市地铁8号线平西府车辆段库内线减振方案为例，对平西府车辆段上盖物业开发项目情况进行了简要介绍，分析了平西府车辆段项目拟解决的振动问题及减振扣件选用时面临的主要问题，介绍了适用于地铁车辆段库内线的钢轨减振扣件，总结了现阶段减振扣件研究取得的成果。

随着轨道交通的不断发展，其振动噪声影响不断凸显，各国针对轨道减振都做了大量工作，采取了众多的轨道减振措施。近年来，我国学者通过结构动力学、有限元、试验分析等方法，对众多轨道减振措施进行研究.合理设计轨道各元件的刚度、阻尼等参数及不同减振措施间的组合，取得了显著的减振效果，为轨道减振措施的发展应用奠定了理论基础。